大數據在高中生物實驗教學中的創新應用

戴國金

[摘要]隨著科學技術的飛速發展，大數據時代已經來臨，這在很大程度上改變了高中生物的教學方式。在高中生物實驗教學中，教師創新應用大數據，充分發揮大數據的作用，可為學生營造良好的學習氛圍，引導學生積極參與實驗活動，從而提高實驗教學質量。

[關鍵詞]大數據；實驗教學；高中生物

[中圖分類號]G633.91[文獻標識碼]A[文章編號]16746058（2018）05008502

在互聯網技術不斷發展的時代背景下，大數據逐步覆蓋各個領域。2012年10月，美國教育部門正式宣布大數據應用于教育領域。2015年，我國在啟動的“公共服務大數據工程”中也正式提出應建設“教育大數據”，利用大數據來促進教育發展。當前，以大數據為基礎的“實驗室管理系統”正在被開發與應用，通過信息技術的手段管理實驗教學數據的模式開始普及，勢必會改變實驗教學模式。生物作為一門以實驗為基礎的學科，實驗教學在生物課堂教學中占據著重要地位。本文以人教版高中生物實驗教學為例，重點探究大數據的創新應用。

一、大數據的概念與特征

大數據是先進科學技術、數據對象與應用方式三者的統一。基于科學技術的角度分析，大數據是不同類型數據中，快速獲取有應用價值的信息的技術及其集成；基于數據對象的角度分析，大數據是指其大小已經超出普通數據庫軟件收集、存儲、管理、分析等基本能力的集合；基于應用方式的角度分析，大數據是對指定大數據集合應用的技術，主要目的在于獲取具有明顯價值的數據。因此，大數據不單單是技術手段，也是一種新型思維方式，即從多維度、多層次去處理、分析數據。

維克托·邁爾-舍恩伯格（Viktor Mayer-Schonberger）指出：大數據可處理的信息量已經超出普通電腦在處理數據信息時可使用的內存量，即大數據是一種新型的數據處理技術，無須借助傳統的數據庫表格，數據結構也更為分散、復雜。此外，大數據一般都隱藏著巨大信息量，其數據價值較大，且具備以下特征：①信息量巨大（這是大數據最關鍵、最基本的特征）；②信息增長速度快，可以為數據分析提供原始素材；③收集、表述信息資源的形式多種多樣；④應用價值較高。

二、高中生物實驗教學中存在的問題

生物學科作為高中教育的重要組成部分，直接影響著學生綜合素養的形成。受傳統教學模式的影響，當前高中生物實驗教學中仍存在較多的問題，具體有：（1）生物實驗設計有待改進與優化。從人教版高中生物教材內容來看，雖然在一定程度上突出了實驗教學的地位，但通過數據統計可知，其實驗教學效果并不令人滿意，體現在：（1）生物實驗操作較為復雜、困難，如“觀察RNA和DNA在細胞中分布實驗”；（2）生物實驗器材、原材料安排有安全隱患，如“綠葉中色素提取與分離”實驗中的“苯”含有劇毒，此類因素都有可能導致實驗失敗，從而打擊學生實驗的信心與積極性；（2）缺乏良好的生物實驗組織安排，從實際情況來看，生物實驗的人數通常超過50人，且學校生物模型、標本等實驗器材并不齊備，學生需要共用或者輪流使用儀器，很大程度上降低了實驗的有效性；（3）教師未重視實驗結果的分析，完成實驗教學后，大多數教師都僅要求學生完成生物實驗報告，或者通過相應的題目來測試學生，而忽略了對學生實驗過程的態度、完成情況的評價，這直接影響到學生實驗的積極性和主動性。

三、大數據在高中生物實驗教學中的創新應用

將大數據技術應用于高中生物實驗教學時，應根據實驗教學的常見問題，綜合考慮學生的個性特征、教學目標等因素，通過大數據了解學生對實驗的看法，并優化實驗設計，從而激發學生的實驗興趣，引導學生全身心參與到實驗探究過程中，提升生物實驗教學的有效性。

1.優化實驗設計

在生物實驗設計階段

，教師應

融合大數據技術深度加工實驗數據，以大數據中收集、儲存、管理的能力為基礎，獲取更加準確、真實的實驗資源以及需求報告，再改進基于特定實驗環境下的實驗設計方案，改變傳統實驗模式中教師依靠自身經驗進行生物實驗的方法。以數據為基礎，對生物實驗進行優化設計，可讓生物實驗變得更加科學、客觀。

例如，在做“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”實驗時，教師利用大數據技術分析實驗原材料特征、實驗原材料獲取難易度等信息，其具體結果為：（1）實驗原材料特征：高等綠色植物的葉綠體均存在于葉片中，無須染色就可通過高倍顯微鏡觀察，因此，其實驗材料可選擇蘚類葉片（黑藻葉等）或者菠菜葉下表皮，并配置質量分數為1.0%的健那綠染液；（2）實驗原材料的獲取難易度：通過大數據來分析學生生活中常見的實驗材料，依據最好隨處可見且學生熟悉、節約成本、材料價格低廉等標準，應選擇“黑藻葉”“質量分數為1.0%的健那綠染液”為原材料；（3）實驗原材料的地方性和季節性：教師應根據學生所處區域的外部環境條件，如氣候、光照、溫差等，選擇恰當的原材料。從實驗在教材中的安排來看，“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”這一實驗通常在秋冬季節進行，因此不可選擇夏季才有的原材料。

2.優化實驗組織

教師可依托大數據技術，對學生的基本情況（年齡、性別、興趣愛好、認知特征、知識掌握情況、學習習慣等）進行了解，然后對其進行聚類分析，再根據數據分析結果，安排好學生生物實驗的分組，再給出不同層次的實驗要求，合理優化生物實驗組織，讓學生根據自身的情況有效探究生物知識。

例如，在進行“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗時，教師可借助大數據技術對學生的情況進行分析，然后依據數據分析結果將學生分為三個小組，即基礎組、提升組和優秀組。基礎組學生的知識基礎較為薄弱，教師可要求他們根據教材安排，初步掌握探索酶的催化效率方法，自主觀察實驗現象并記錄。提升組學生的基礎知識較為牢固，但其學習方法不太不科學，教師可要求他們在進行實驗時思考：無機催化劑氯化鐵溶液中的Fe3+和過氧化氫酶都可使過氧化氫分解為水、氧，那么在相同條件下，與Fe3+相比，過氧化氫酶催化作用的特征是什么？通過問題來培養學生的良好學習習慣。優秀組學生的基礎知識掌握牢固，且對實驗有自己的想法，教師應給予他們充分的思考空間，促使他們自主設計實驗步驟，有效開展實驗活動。

3.輔助實驗建設與評價學生

學校在利用大數據技術建設生物實驗室時，應當及時更新、改進傳統實驗設備，最大限度地推進實驗設備的數字化進程，如果無法實現實驗數字化，建議使用圖像分析、人工智能等技術，增強其與互聯網技術的數據交換能力。通過大數據技術進行跟蹤、分析和處理，對學生進行多層次、全方位的評價，讓學生感受到來自教師的關心，提升生物實驗教學的有效性。

綜上所述，大數據技術作為促進教育發展的重要力量，為實驗教學提供了新的數據利用途徑。作為生物教師，應將高中生物教學與大數據技術有機結合，創新生物實驗教學，優化實驗設計與組織，引導學生自主動手獲取準確的實驗結果，從而提升學生的動手操作能力和探究能力，增強學生的綜合素養。同時，大數據中的數據收集、存儲、挖掘、可視化等先進功能，可有效打破傳統教學模式的限制，因此教師應結合學生的個性特征，借助大數據技術合理優化生物實驗教學，從而最大限度地提升生物教學質量。

（責任編輯黃春香）